CN110510090B - 基于弧面自由端及轴向旋转交叉簧片的仿生鳍推进机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于弧面自由端及轴向旋转交叉簧片的仿生鳍推进机构，不同尺寸的弧面自由端、交叉簧片和轴向旋转交叉簧片单元组成的鳍条线型固定于机体外壳的一侧，由舵机驱动。根据鳍条在展向方向上面的刚度分布来调整交叉簧片单元的刚度分布。同时利用多根仿生鳍条沿弦向排列构成多鳍条仿生胸鳍结构，通过舵机驱动每根鳍条绕弦向上下摆动，并结合鳍条自身的展向被动弯曲特性，形成胸鳍的展向摆动弯曲特征；同时，每根鳍条之间摆动角度存在相位差，并结合鳍条自身绕展向的被动扭转特性，从而形成胸鳍的弦向波动传递特征。

Description

基于弧面自由端及轴向旋转交叉簧片的仿生鳍推进机构

技术领域

本发明属于水下仿生柔性鳍推进机构领域，涉及一种基于弧面自由端及轴向旋转交叉簧片的仿生鳍推进机构，具体涉及到一种可用于水下仿生柔性鳍推进机构，利用舵机可以在水下实现主\被动展向翼展方向弯曲以及主\被动的绕展向扭转，从而形成胸鳍展向弯曲摆动运动以及弦向躯干长度方向的波动传递。

背景技术

随着全球范围内对海洋的开发和利用，水下航行器的设计与研制已成为了各国的重要科研课题，在学科交叉融合的大环境下，将水下航行器同水下生物的流体动力学相结合，研制仿生水下航行器，通过研究千百年进化而造就的水下生物的航行机制，应用到水下航行器的研制中来，可以极大的提高航行器的能源利用效率，减小噪声，在军事用途以及商业用途中有很好的前景。仿生柔性胸鳍推进的过程是一个柔性体的运动和变形与流体的运动相互耦合的复杂物理过程，特别是胸鳍推进的过程中同时具有主动变形与被动变形，变形分为展向弯曲变形形成展向弯曲摆动运动以及绕展向的旋转变形形成弦向波动传递，理论分析具有一定的难度。

仿生胸鳍推进使航行器兼具高推进效率与高机动性，具有十分重要的意义。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于弧面自由端及轴向旋转交叉簧片的仿生鳍推进机构，主要实现仿蝠鲼鱼类胸鳍推进的展向弯曲与弦向波动传递耦合运动。

技术方案

交叉簧片柔性变形体相较于刚性变形体具有其自身的很多优点，例如高精度，无摩擦，无滞后，无磨损，无静态阻力，免润滑等。对于水下仿生航行器，尤其是对于仿生鳍推进的水下航行器，鳍的内部结构尤为重要，为了使仿生胸鳍达到在水下的被动变形，可以基于交叉簧片，利用其结构特性以及优势，设计出变形性能更优良的鳍条结构。

一种基于弧面自由端及轴向旋转交叉簧片的仿生鳍推进机构，其特征在于包括机体外壳1、鳍条连接件5、舵机支架2、舵机3、舵机圆盘4和多跟长短不一的鳍条；舵机支架固定于机体外壳1一侧，舵机3与舵机支架2上的侧支架连接，舵机圆盘4与舵机3轴连接，鳍条连接件5一端的圆盘与舵机圆盘4连接，另一端与鳍条连接；所述鳍条包括多个弧面自由端、交叉簧片和轴向旋转交叉簧片单元；与鳍条连接件5连接的为鳍条连接件5一端的连接支架18，连接支架18连接第一个轴向旋转交叉簧片单元，后续每级为两根等长的簧片沿着其长度方向对称交错连接两个相邻的弧面自由端构成；中间需要转动的某一级以轴向旋转交叉簧片单元取代弧面自由端，使得取代部位能够转动；所述轴向旋转交叉簧片单元包括三根簧片和两个带弧边的圆形自由端，三根簧片互成120度，相互交叉后两端分别于两个圆形自由端的弧边相连，构成轴向转动；所述鳍条的长短取决于级数；每级弯曲的刚度取决于簧片的材料、厚度、两个簧片的夹角以及其交叉点的位置；簧片的刚度与材料的强度成正比，与其簧片的厚度成正比，与两个簧片的夹角大小成正比，与两个簧片的交叉点两侧簧片长度比例大小成正比，即长度小的一侧的长度与长度大的一侧的长度的比值。

两根等长的簧片沿着其长度方向对称交错连接两个相邻的自由端构成一个交叉簧片单元，多个交叉簧片单元相串联构成多级机构。

所述多跟长短不一的鳍条之间由柔性填充物相连接。

所述带弧边的自由端上的弧边的周长小于圆形自由端的1/2周长。

所述第一级簧片的刚度为最大。

所述多级簧片的刚度由第一级簧片至末级依次减小，使得受到外力发生被动变形时，越靠近弯曲结构的末梢弯曲的形变越大。

所述多级簧片的刚度在保持第一级簧片的刚度为最大，其他各级根据需要的刚度，在簧片的材料、厚度、两个簧片的夹角以及其交叉点的位置上进行组合。

所述的弧面自由端的尺寸沿着展向方向依次递减。

所述的弧面自由端的弯曲方向一致，沿着展向方向向内弯曲。

有益效果

本发明提出的一种基于弧面自由端及轴向旋转交叉簧片的仿生鳍推进机构，多个弧面自由端、交叉簧片和轴向旋转交叉簧片单元组成的，不同尺寸的鳍条线型固定于机体外壳的一侧，由舵机驱动。整个仿生鳍条由多个不同尺寸的交叉簧片单元组成，根据不同的鳍条线型，选择不同尺寸的交叉簧片单元组合，单个交叉簧片的结构由自由端和簧片组成，每一个交叉簧片单元都是由成不同角度的簧片交叉形成，且簧片的两端与自由端相连，在组成鳍条时，簧片单元之间由相应的自由端相连接，组成多级交叉簧片结构，满足鳍条的多级被动弯曲以及轴向旋转的运动模式。根据鳍条在展向方向上面的刚度分布来调整交叉簧片单元的刚度分布。同时利用多根仿生鳍条沿弦向排列构成多鳍条仿生胸鳍结构，通过舵机驱动每根鳍条绕弦向上下摆动，并结合鳍条自身的展向被动弯曲特性，形成胸鳍的展向摆动弯曲特征；同时，每根鳍条之间摆动角度存在相位差，并结合鳍条自身绕展向的被动扭转特性，从而形成胸鳍的弦向波动传递特征。

对于承担被动弯曲的机构采用弧面自由端，并且交叉簧片的交叉点与交叉簧片的单元相对于整个弯曲机构外侧自由端的圆心重叠，这使得每一个交叉簧片单元在被动弯曲变形时交叉点的偏移量有所下降，使得其变形精度更高。在自由端受到外力时，更好的沿着其受力方向变形。对于承担轴向旋转的机构，将采用三簧片交叉簧片单元，根据具体情况对这两种簧片进行组合，从而使得整个鳍条结构能够实现既定的被动弯曲以及轴向旋转的运动模式。

本发明仿生胸鳍推进结构，具有高精度，无摩擦，无滞后，无磨损，无静态阻力，免润滑等优点，可以实现仿蝠鲼鱼类胸鳍的展向弯曲与弦向波动传递耦合运动，应用于水下仿生胸鳍推进航行器，使其兼具高推进效率与高机动性。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图

图2是本发明的机体外壳示意图

图3是本发明的舵机支架结构示意图

图4是本发明的舵机结构示意图

图5是本发明的舵机圆盘结构示意图

图6是本发明的鳍条连接件结构示意图

图7是本发明的1号和5号鳍条结构示意图

图8是本发明的2号和4号鳍条结构示意图

图9是本发明的3号鳍条结构示意图

图10是本发明弯曲交叉簧片单元示意图

图11是本发明轴向旋转交叉簧片单元示意图

图12是本发明轴向旋转交叉簧片单元结构示意图

1——机体外壳，2——舵机支架，2-1——侧支架，2-2——螺钉孔，3——舵机，3-1——舵机轴，3-2——螺孔，4——舵机圆盘，5——鳍条连接件，5-1——舵机圆盘连接端，5-2——鳍条连接端，5-3——连接孔，5-4舵机连接孔，6——第1号鳍条，7——第2号鳍条，8——第3号鳍条，9——第4号鳍条，10——第5号鳍条。11——弯曲交叉簧片单元，12——轴向旋转交叉簧片单元，13—交叉簧片，14——弧面自由端，15——圆形自由端，16——簧片，17——弧边，18——鳍条连接支架。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明提出的一种基于弧面自由端及轴向旋转交叉簧片的仿生鳍推进机构，由尺寸不同的基于交叉簧片交叉簧片单元的鳍条结构组成。本发明实施例整体结构见示意图1，其特征在于包括机体外壳1、鳍条连接件5、舵机支架2、舵机3、舵机圆盘4和多跟长短不一五根鳍条；舵机支架固定于机体外壳1一侧，舵机支架2上设有五个侧支架2-1，每个侧支架2-1上设有螺钉孔2-2，通过螺钉与舵机3上的螺孔3-2固定连接，使得五个舵机3固定在舵机支架2上；舵机圆盘4与舵机3轴连接，鳍条连接件5一端的舵机圆盘连接端5-1的舵机连接孔5-4与舵机圆盘4连接，舵机圆盘连接端5-1的连接孔5-3与舵机圆盘4上对应孔螺钉固连；鳍条连接件5另一端鳍条连接端5-2与鳍条上的连接支架18连接。

所述每根鳍条包括多个弧面自由端、交叉簧片和轴向旋转交叉簧片单元；每根鳍条端部为连接支架18，连接支架18连接第一个轴向旋转交叉簧片单元，后续每级为两根等长的簧片沿着其长度方向对称交错连接两个相邻的弧面自由端构成，具体的交叉簧片单元的尺寸根据具体的胸鳍鳍条线型来决定，通过改变交叉簧片单元的刚度来调整整个鳍条结构的刚度分布，从而更好的拟合鳍条在水下被动变形的运动模式。

本实施例的五根鳍条如图1所示，五个鳍条为相同结构，由三种不同尺寸的鳍条构成，第2号鳍条7长度与第4号鳍条9相同，第1号鳍条6长度与第5号鳍条10相同，第3号鳍条8的长度大于第2号鳍条7，第2号鳍条7的长度大于第1号鳍条6。

所述鳍条包括多四个弧面自由端、三个轴向旋转交叉簧片单元和连接在弧面自由端以及轴向旋转交叉簧片单元之间的交叉簧片；所述交叉簧片为等长的簧片沿着其长度方向对称交错连接两个相邻的弧面自由端或轴向旋转交叉簧片单元；所述轴向旋转交叉簧片单元包括三根簧片和两个带弧边的圆形自由端，三根簧片互成120度，相互交叉后两端分别于两个圆形自由端的弧边相连，构成轴向转动；带弧边的自由端上的弧边的周长小于圆形自由端的1/2周长。

所述鳍条的结构为头部为连接支架18，连接支架18连接第一个轴向旋转交叉簧片单元，后续每级为两根等长的簧片沿着其长度方向对称交错连接两个相邻的弧面自由端，在第二级和第四级，以轴向旋转交叉簧片单元取代弧面自由端，使得取代部位能够转动；

所述的弧面自由端、轴向旋转交叉簧片单元的尺寸沿着展向方向依次递减。

五根鳍条共同组成整个仿生鳍推进机构，它们之间由柔性填充物相连接，形成了基于交叉簧片的仿生鳍推进结构，五根鳍条每一根都具有多级被动弯曲和轴向旋转，由于不同鳍条的受力情况以及其被动变形的方式有所不同，从而使五根鳍条组合形成了十分复杂的立体多级被动变形运动模式。

本发明的安装及使用过程：

如图所示，鳍条由舵机操纵，舵机通过舵机支架与基体结构相连，舵机共五个，型号相同，舵机与鳍条通过舵机圆盘与鳍条连接件将舵机的圆周运动转换为鳍条的摆动，在仿生鳍推进机构运动过程中，除了有每一根鳍条单独的主动运动还包括多个鳍条之间具有一定相位差的协同运动，同时，仿生鳍推进机构在水下由于自身的柔性，受到水动力的作用会产生变形以及被动运动，为了更好的拟合真实鱼类胸鳍的运动达到仿生的目的，采用多级被动弯曲以及轴向旋转机构作为仿生鳍推进结构的鳍条，使得仿生鳍具有立体的多级被动变形运动模式，从而使得仿生鳍推进机构能更好的模拟鱼类胸鳍的真实运动。

对于承担被动弯曲的机构采用弧面自由端，并且交叉簧片的交叉点与交叉簧片的单元相对于整个弯曲机构外侧自由端的圆心重叠，这使得每一个交叉簧片单元在被动弯曲变形时交叉点的偏移量有所下降，使得其变形精度更高。在自由端受到外力时，更好的沿着其受力方向变形。对于承担轴向旋转的机构，将采用三簧片交叉簧片单元，根据具体情况对这两种簧片进行组合，从而使得整个鳍条结构能够实现既定的被动弯曲以及轴向旋转的运动模式。

Claims (9)

1.一种基于弧面自由端及轴向旋转交叉簧片的仿生鳍推进机构，其特征在于包括机体外壳(1)、鳍条连接件(5)、舵机支架(2)、舵机(3)、舵机圆盘(4)和多根长短不一的鳍条；舵机支架固定于机体外壳(1)一侧，舵机(3)与舵机支架(2)上的侧支架连接，舵机圆盘(4)与舵机(3)轴连接，鳍条连接件(5)一端的圆盘与舵机圆盘(4)连接，另一端与鳍条连接；所述鳍条包括多个弧面自由端、交叉簧片和轴向旋转交叉簧片单元；与鳍条连接件(5)连接的为鳍条一端的连接支架(18)，连接支架(18)连接第一个轴向旋转交叉簧片单元，后续每级为两根等长的簧片沿着其长度方向对称交错连接两个相邻的弧面自由端构成；中间需要转动的某一级以轴向旋转交叉簧片单元取代弧面自由端，使得取代部位能够转动；所述轴向旋转交叉簧片单元包括三根簧片和两个带弧边的圆形自由端，三根簧片互成120度，相互交叉后两端分别与两个圆形自由端的弧边相连，构成轴向转动；所述鳍条的长短取决于级数；每级弯曲的刚度取决于簧片的材料、厚度、两个簧片的夹角以及其交叉点的位置；簧片的刚度与材料的强度成正比，与其簧片的厚度成正比，与两个簧片的夹角大小成正比，与两个簧片的交叉点两侧簧片长度比例大小成正比，即与长度小的一侧的长度与长度大的一侧的长度的比值成正比。

2.根据权利要求1所述基于弧面自由端及轴向旋转交叉簧片的仿生鳍推进机构，其特征在于：两根等长的簧片沿着其长度方向对称交错连接两个相邻的弧面自由端构成一个交叉簧片单元，多个交叉簧片单元相串联构成多级机构。

3.根据权利要求1或2所述基于弧面自由端及轴向旋转交叉簧片的仿生鳍推进机构，其特征在于：所述多根长短不一的鳍条之间由柔性填充物相连接。

4.根据权利要求1或2所述基于弧面自由端及轴向旋转交叉簧片的仿生鳍推进机构，其特征在于：所述带弧边的圆形自由端上的弧边的周长小于圆形自由端的1/2周长。

5.根据权利要求1或2所述基于弧面自由端及轴向旋转交叉簧片的仿生鳍推进机构，其特征在于：所述第一个轴向旋转交叉簧片单元的簧片的刚度为最大。

6.根据权利要求1或2所述基于弧面自由端及轴向旋转交叉簧片的仿生鳍推进机构，其特征在于：所述鳍条的簧片刚度由第一个轴向旋转交叉簧片单元的簧片至末级依次减小，使得受到外力发生被动变形时，越靠近弯曲结构的末梢弯曲的形变越大。

7.根据权利要求1或2所述基于弧面自由端及轴向旋转交叉簧片的仿生鳍推进机构，其特征在于：所述鳍条的刚度在保持第一个轴向旋转交叉簧片单元的簧片的刚度为最大的基础上，其他各级簧片的刚度根据需要，在簧片的材料、厚度、两个簧片的夹角以及其交叉点的位置上进行组合。

8.根据权利要求1或2所述基于弧面自由端及轴向旋转交叉簧片的仿生鳍推进机构，其特征在于：所述的弧面自由端的尺寸沿着展向方向依次递减。

9.根据权利要求1或2所述基于弧面自由端及轴向旋转交叉簧片的仿生鳍推进机构，其特征在于：所述的弧面自由端的弯曲方向一致，沿着展向方向向内弯曲。

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